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為了孕育恒星,銀河系正在“變胖”

科技日報 2019-10-29

  眾所周知,如果一個人攝入的能量高于消耗的能量,身體就可能發胖,反之則會消瘦。測量人的體重增減只需一臺秤而已。

  而浩瀚宇宙中的星系,特別是人類生存的銀河系,處于怎樣的變化之中,卻是困擾全球天文學家的重大難題。日前,一個由歐洲航天局天文學家安德魯·福克斯博士領銜的國際研究團隊在《天體物理學報》上撰文指出,銀河系吸入的氣體比呼出的氣體質量更大,處于“發胖”的過程中。

  那么,銀河系的“呼吸”和質量變化背后有怎樣的奧秘?這種“發胖”將給銀河系帶來哪些影響?

  氣體物質交換 激活“一池春水”

  銀河系中不斷有氣體被“吹”出,但這些氣體還會重新被“吸”回,落到銀河系上。這種“呼吸”意味著什么?

  “這是恒星的誕生與死亡所帶來的氣體塵埃物質循環。”中國科學院上海天文臺副研究員左文文在接受科技日報記者采訪時表示,恒星從銀盤中的氣體分子云中坍縮形成。恒星演化過程中的星風,以及大質量恒星演化到生命晚期發生的超新星爆炸,均會將大部分物質向外拋散,并向周圍的星際物質發射激波,形成一個由膨脹的氣體和塵埃構成的殼狀結構,即超新星遺跡。

  “恒星可視為源于塵埃,死亡時又歸于塵埃。”左文文說。

  恒星從生到死的整個生命周期成就了一次大尺度的搬運——將銀盤中的氣體塵埃物質向銀河系更外圍的銀暈中轉移。而且,恒星的一生積攢了大量的金屬元素。天文學中通常把比氦元素原子數大的元素均稱作金屬元素,這些金屬元素就像是一顆恒星兢兢業業地工作——努力地燃燒自己,奮斗一輩子攢下的財富。它在日常生活中偶爾會“消費”,即通過星風現象拋出一部分物質;更多的是在大質量恒星走向滅亡的那一刻,它窮極一生積攢的“家當”,拋散四射,豐富了整個星系的元素組成,也點燃了下一代恒星生命起源的星星之火。

  隨著時間的推移,銀暈中的氣體塵埃物質會逐漸聚集在一起,重力將導致這些氣體團塊落回銀盤,開始下一輪恒星形成。

  恒星的死亡造就了新恒星的誕生,終點即是起點。周而復始,“向死而生”。銀河系也在無數個恒星的“獻祭”中完成了與周圍環境的氣體物質交換,就像一個湖泊,里面是一池活水。

  高速分子云 標記“流動人口”

  那么,銀河系這個大湖泊是在“漲水”還是在“泄水”?很多研究人員都想找到答案。

  此次研究給出的答案是前者,即氣體入流大于外流。

  該項研究利用哈勃太空望遠鏡的紫外波段數據,研究了187個高速分子云,根據吸收線相對于靜止參考系波長的移動,測定出它們在銀河系標準靜止參考系的速度,分類成入流的高速分子云和外流的高速分子云。通過計算,研究人員估計流入率為每年0.53±0.17倍太陽質量,流出率為每年0.16±0.06倍太陽質量,表明目前銀河系處在入流主導的時期。

  入流的氣體來源于哪里?左文文指出,銀河系的引力有可能將部分星系際介質拖拽進來,也可能會從它的衛星星系拖拽一些氣體物質過來。

  科技日報記者注意到,該研究的主要對象是高速分子云。銀河系中氣體塵埃無數,為何研究人員單單瞄向了高速分子云?

  左文文提到,恒星與恒星之間有星際介質,星系與星系之間有星系際介質。星系并不是一個有著密閉邊界的系統。

  因此,沒有任何一種氣體會給自己主動貼上“外來者”或“本地人”的標簽。那么,研究人員如何界定哪些氣體是外流或入流的“流動人口”?哪些又是銀河系內“長居”的“常住人口”?解決這些問題的切入點就是高速分子云。

  通常,銀盤中的“常住”氣體會與銀盤的旋轉速度一致。而高速分子云中氣體的移動速度要快于銀盤的旋轉速度,這意味著它們很可能就是入流或外流氣體的一種。再觀測分子云的速度走向,分析它是向著銀盤移動還是遠離銀盤移動,即可判斷該分子云是銀河系吸入的還是呼出的氣體。

  當然,也有學者指出,該研究忽略了本就存在于銀盤中的高速氣體結構,如費米氣泡等,這些銀盤中已有的結構無疑會給實驗帶來誤差。

  左文文也表示,該研究僅基于溫度較低(約10000開爾文)的氣體云塊,給出的每年入流、外流的氣體質量均是下限,還需要有更多數據才能得到更確切的結果。

  呼吸的意義 調控恒星生命周期

  “恒星的形成會受到氣體入流與外流之間關系的調節。所以研究氣體循環過程,對于研究恒星形成、星系演化有很重要的作用。”左文文表示,銀河系是我們所居住的星系,擁有相對來說更豐富的觀測數據去研究氣體循環問題。

  也許很多人都會好奇,如果銀河系一直處于氣體入流多于外流的狀態,可能會怎樣?

  “內流多于外流,表明星系會累積更多的氣體。銀河系提供了恒星產生所需的原料——氣體、塵埃,有助于后續的恒星形成。”左文文表示,相反,如果星系中氣體外流一直多于內流,總有一天,恒星形成的原材料會損失殆盡,星系中便再沒有新恒星形成了。事實上,雖然入流和外流決定了一個星系是否會有持續的恒星形成,但還要關注兩者差距有多大以及這種情況持續時間有多長。

  2018年日本東北大學的天文學家在《自然》雜志撰文指出,銀河系在兩次恒星形成的“嬰兒潮”之間經歷了一個持續了數十億年的休眠期,實際上是在“死亡”后“復活”了,而這一現象與星系的氣體循環密不可分。

  根據這一研究,銀河系早期吸入大量寒冷氣體,開始形成第一代恒星。大約在70億年前,恒星坍塌爆炸產生的沖擊波將星系內氣體加熱到高溫。這導致寒冷氣體停止流入銀河系,恒星的形成也隨之停止。隨著時間的推移,銀河系的高溫氣體逐漸輻射冷卻,并在50億年前開始吸入新的寒冷氣體。這導致了包括太陽在內的第二代恒星的形成。更重要的是,其他研究表明,銀河系的鄰居“仙女座”星系可能也經歷過類似的歷程。這表明大質量的旋渦星系往往會出現形成恒星的“休眠期”,而較小的星系則不會。

  事實上,星系“呼吸”的概念也適用于恒星甚至行星等宇宙中更小的系統。相比銀河系的“增重”,太陽和地球都在減重。根據美國國家航空航天局(NASA)和麻省理工學院的研究,太陽每年喪失1324.5萬億噸的質量,地球每年減輕1到5萬噸。

  正如今日宇宙(Universe Today)網站所寫:“無論我們談論的是行星、恒星還是星系,它們都在經歷出生、生存和死亡。在這期間,他們或許會增重或減重幾磅。生命的循環,便在宇宙的尺度上展開。”

責任編輯:王超

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